Ce travail de thèse porte sur la compréhension des mécanismes d'auto-assemblage de silices hybrides organiques-inorganiques obtenues par voie sol-gel. Les précurseurs moléculaires utilisés sont constitués d'une sous-structure inorganique présentant des groupements triéthoxysilanes et d'une sous-structure organique qui confère au matériau des propriétés d'auto-association. Deux précurseurs sont envisagés dans ce travail. Le premier possède une partie organique constituée d'un phénylène séparant deux groupements urées qui lui permettent de s'auto-organiser par liaisons H au cours de la synthèse du matériau en solution. Le second est un dérivé monosilylé de l'uréïdopyrimidinone qui s'auto-organise en dimères en solution hypothéquant sa capacité à interagir par liaisons H intermoléculaires au cours de la synthèse. Une étude fondamentale de la dynamique vibrationnelle infrarouge des deux précurseurs qui compare des données expérimentales dans l'infrarouge moyen et lointain et des calculs ab initio est présentée. L'influence de la liaison hydrogène sur la dynamique vibrationnelle est étudiée en détail. Ces résultats sont ensuite utilisés pour suivre la compétition d'interactions covalentes et non covalentes pendant les processus d'auto-assemblage. Une étude expérimentale multi-échelle in situ de la cinétique d'auto-organisation des deux précurseurs qui couple la microscopie optique, la diffusion de lumière et la spectroscopie infrarouge est réalisée. Nous proposons un modèle de structuration en solution dominé par des barrières d'activation contrôlées par les liaisons H. La structure du matériau hybride à base d'uréïdopyrimidinone en phase solide est résolue à partir d'une étude structurale basée sur la diffraction des rayons X. L'étude en pression des matériaux obtenus par étuvage et lyophilisation montre que l'organisation locale (liaisons H, taux de polycondensation) et mésoscopique sont largement conditionnées par cette étape.

Ce travail expérimental porte sur l'étude du comportement colloïdale aux interfaces de nématiques. Dans un premier temps, nous détaillons la séquence de phase observée par des billes de silice à ancrage homéotrope fort piégées à l'interface air-nématique. En fonction de leur densité ainsi que l'épaisseur du film, les colloïdes forment différentes structures spontanément. A l'aide des pinces optiques, nous mesurons le potentiel de paire et nous discutons les rôles respectifs des forces capillaires et élastiques. Dans un second temps, nous étudions le comportement des colloïdes sur des interfaces nématiques plus complexes. En contrôlant la géométrie des interfaces et la densité des particules piégées, à l'aide de la technique de microfluidique, nous étudions le comportement colloïdale à la surface des coques nématiques fines. La compétition entre les conditions d'ancrage aux interfaces, l'élasticité du CL, les défauts et les densités des fluides est à l'origine de la formation de nouvelles configurations topologiques. Dans cette partie nous discutons le rôle des colloïdes dans la formation de ces structures.

Un des objectifs de la recherche en biotechnologie et de la production industrielle réside dans la détermination des conditions optimales pour la production d'un métabolite. Pour avoir des performances optimales, la supervision en ligne de la croissance cellulaire est primordiale. Dans ces travaux de thèse nous présentons l'analyse d'images microscopiques de cellules afin de déterminer les caractéristiques de chaque cellule, à partir de la détection de leurs contours. La détection des contours joue un rôle primordial et a été résolue par les contours actifs. L'initialisation et l'évolution du modèle à l'intérieur des zones concaves des cellules bourgeonnantes sont des tâches difficiles. Elles ont été résolues par l'analyse de l'énergie image. Différente méthodes ont été comparées afin de différencier les cellules : les méthodes floues, la transformé en ondelette et l'analyse de la courbure. Le problème de la détection des paramètres morphométriques se traduit par un problème de détection d'ellipses dans une image. L'approximation du contour de la cellule par un modèle ellipsoïdal est réalisée par une méthode de moindres carrés sous contraintes qui a été comparée à la transformée de Hough, et aux algorithmes génétiques. Ce système de supervision de la population microbienne a constitué le moteur d'un logiciel de traitement et d'analyse d'images.

Le poly(1,3-dioxolanne) (PDOL) est un polymère semi-cristallin présentant à l’état solide quatre morphologies différentes (Phases I, IIa, IIb et III). Les transformations d'une phase à l'autre ont été suivies par microscopie optique polarisée (MOP) et microscopie à force atomique (AFM) en fonction de la température de cristallisation et de la masse molaire. La Phase I présente une morphologie sphérolitique tandis que la Phase IIa peut croître à partir de la Phase I ou spontanément. De façon inattendue, la Phase IIa, devient très biréfringente et cette nouvelle morphologie est appelée Phase IIb. Quand la transformation IIa-IIb est terminée, une nouvelle phase, la Phase III, croît à partir de la Phase IIb. La Phase III n'a jamais été observée sans la présence de Phase IIb; en outre, la Phase IIb remplace toujours la Phase IIa. Ce phénomène est appelé germination croisée. La mesure de la température de fusion des phases par MOP a permis d’établir leur stabilité relative: IIb > III >IIa. La vitesse de croissance (G) des sphérolites a été mesurée sur une plage de températures de 10,0 à 24,0 °C et montre une grande dépendance avec la masse molaire. Ces mesures ont révélé l’existence d’une masse molaire critique, autour de 5000 g.mol-1, en-dessous de laquelle nous avons observé GIIa > GIII et au-dessus de laquelle la relation est inversée avec GIII > GIIa. Finalement, nous avons exploré l’influence de l’ajout d’un deuxième polymère amorphe sur l’évolution des phases optiques dans des mélanges PDOL-PMMA, PDOL-PVC et PDOL-PVAc. Nous avons observé les mêmes transitions de phases que pour le PDOL pur et un certain degré de compatibilité dans le cas du PDOL-PMMA et du PDOL-PVC. / Poly(1,3-dioxolan) (PDOL) is a semi-crystalline polymer exhibiting in the solid state four different morphologies (Phases I, IIa, IIb and III). Transformations from one phase to another were followed by Polarized Optical Microscopy (POM) and Atomic Force Microscopy (AFM) as a function of crystallization temperature and molecular weight. Phase I shows a spherulitic morphology whereas Phase IIa normally grows radially from Phase I but it can also occur in the absence of Phase I. Its birefringence depends on the molecular weight of PDOL. Unexpectedly, at one point during the crystallization of Phase IIa, at constant temperature, it becomes highly birefringent, and this new morphology is called Phase IIb. When the transformation is completed, a new phase, Phase III, grows radially from Phase IIb; Phase III has never been observed without the presence of Phase IIb. Similarly, Phase IIb always replaces Phase IIa. This phenomenon is called cross-nucleation. The relative stability of the phases has been established as IIb > III >IIa. The growth rate of polymer spherulites was measured over a range of temperatures, from 10.0 to 24.0 °C, and showed remarkable molecular weight dependence. We found a critical molecular weight, around 5000 g.mol-1, below which the growth rate of Phase IIa is slower than that of Phase III but, at higher molecular weight, the trend is reversed. Finally, we explored the influence of the addition of a second amorphous polymer on the evolution of optical phases in some blends: PDOL-PMMA, PDOL-PVC and PDOL-PVAc. We found the same phase transformations as with pure PDOL and some degree of compatibility for the PMMA-PDOL and PDOL-PVC blends.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dans cette thèse, nous présentons le développement d'une méthode de nanoscopie optique superrésolue en trois dimensions pour résoudre des émetteurs quantiques uniques à température cryogénique. Cette méthode, appelée microscopie à saturation d'état excité (ESSat), est une technique d'imagerie confocale à balayage basée sur la saturation optique de la raie sans phonon de l'émetteur. Elle utilise un faisceau d’illumination structurée comprenant une zone d'intensité nulle au foyer de l'objectif de microscope, avec un gradient d'intensité important autour. En imageant des molécules fluorescentes aromatiques individuelles à 2 K, nous avons atteint une résolution de 28 nm dans la direction latérale et 22 nm dans la direction axiale, avec de faibles intensités laser d'environ dix kWcm-2, soit cinq ordres de grandeur inférieures à celles utilisées à température ambiante dans les méthodes de nanoscopie basées sur la déplétion par émission stimulée. Notre technique offre une opportunité unique de super-résoudre des molécules uniques séparées par des distances nanométriques et avec des résonances optiques qui se recouvrent. De plus, la méthode fournit une détermination directe de l'orientation des dipôles moléculaires à partir des images ESSat de fluorescence. La microscopie ESSat ouvre ainsi la voie à des études approfondies des interactions cohérentes dipôle-dipôle optiques entre émetteurs quantiques individuels, qui nécessitent des distances relatives nanométriques. En particulier, cette méthode permettra d'étudier les riches signatures spatiales et fréquentielles du système couplé et de manipuler leur degré d'intrication. / In this thesis, we present the development of a cryogenic super-resolution optical nanoscopy thatcan resolve molecules at nanometric distances, called the Excited State Saturation (ESSat)Microscopy.ESSat microscopy is a scanning confocal imaging technique based on the optical saturation of thezero phonon line of a single fluorescent molecule. It uses a patterned illumination beam thatcontains a ‘zero-intensity’ region at the focus of the microscope objective with a large intensitygradient around. We achieved a sub-10 nm resolution in the lateral direction and 22 nm resolutionin the axial direction with extremely low excitation intensities of few tens of kWcm-2. Comparedto other super-resolution imaging techniques, like STED, RESOLFT, etc., our technique offers aunique opportunity to super-resolve single molecules with overlapping optical resonances and thatare much closer than the diffraction limit. In addition, it is possible to determine the orientation ofmolecular dipoles from the fluorescent ESSat images. Since coherent dipole-dipole couplinginteractions between single quantum emitters have a very high coupling efficiency at short distancemuch smaller than the diffraction limit, it is important to resolve them well below it. ESSatmicroscopy thus paves a way to disclose the rich spatial and frequential signatures of the coupledsystem and to manipulate their degree of entanglement.

Ce travail de thèse a pour objectif de développer une méthodologie permettant de prédire l’impact environnemental des futurs projets miniers, dès l’étape d’exploration. Le drainage minier acide, connu comme le principal problème environnemental des gisements sulfurés, se produit lors de l’oxydation des sulfures par l’oxygène et l’eau. Des échantillons de sulfures et sulfosels ont été soumis à des tests géochimiques afin d’étudier leur taux de réactivité. Les minéraux ont été classés par ordre décroissant: gersdorffite > pyrrhotite > arsénopyrite > Ni-pyrite > Ni-pyrrhotite > Fe-sphalérite > pyrite > galène > chalcopyrite. L’influence des interactions galvaniques sur le taux de réactivité de la pyrite, la chalcopyrite et la sphalérite a été étudiée. La pyrite est protégée galvaniquement en présence de chalcopyrite mais n’est pas complètement protégée en présence de sphalérite. Des mélanges synthétiques de minéraux purs ont permis la modification du calcul de potentiel de génération d’acidité par l’ajout d’un facteur cinétique, basée sur les équations de Paktunc (1999) et Bouzahzah et al. (2013). Dix minerais polymétalliques et aurifères ont été caractérisés selon une méthodologie pluridisciplinaire. La caractérisation minéralogique des minerais a permis de connaître leur composition minéralogique quantitative et de détecter les éléments contaminants ainsi que leur spéciation. Une méthode automatisée de quantification minéralogique basée sur la microscopie optique multispectrale a été développée. Cette innovation vise à développer la microscopie optique pour des applications métallurgiques et environnementales de routine / This thesis proposes the implementation of a reliable methodology, based on the characterization of ores at the exploration stage. The main environmental issues for the mining industry are acid mine drainage and contaminated neutral drainage. Sulfides and sulfosalts, when in contact with water and oxygen, oxidize at different rates, resulting in the production of acid and release of various contaminants. Samples of pure sulfides were submitted to geochemical testing to determine their oxidation rates. The pure minerals can be ordered from the highest to the lowest reactivity as: gersdorffite > pyrrhotite > arsenopyrite > Ni-pyrite > Ni-pyrrhotite > Fe-sphalerite > pyrite > galena > chalcopyrite. Galvanic interactions between pyrite, chalcopyrite, and sphalerite were geochemically investigated. Pyrite was galvanically protected in presence of chalcopyrite, and partially protected in presence of sphalerite. Five synthetic tailings, simulating realistic tailings sulfides compositions, were prepared to compare geochemical behaviors and produce a better assessment of the acid-generation potential (AP). A new method is proposed by adding a kinetic factor. Ten polymetallic and gold sulfide ores were fully characterized with multidisciplinary techniques. Mineralogical investigations allowed for the mineralogical quantification of the ores, and for the knowledge of trace elements and their speciation. A method was developed to automatically quantify sulfides by multispectral optical microscopy. Detailed mineralogical work can save time and money and allows detecting the problems at the beginning of mining developments, improving mine waste management and mine closure planning

Les plasmons de surface (SP) sont des modes du champ électromagnétique confinés à l'interface entre un métal et un diélectrique. De par leur nature hybride, les SP permettent de concentrer et manipuler la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Ces propriétés sans précédent suscitent un grand intérêt, en particulier pour le transport et le traitement de l'information quantique mais aussi pour le contrôle de l'émission spontanée d'émetteurs fluorescents. Les études présentées dans ce manuscrit s'intéressent au couplage de nanostructures plasmoniques avec des nanoparticules luminescentes. L'outil utilisé est un microscope optique en champ proche (SNOM) dans lequel la nano-source de lumière est un nano-objet fluorescent attaché en bout de pointe (sonde active). Cette technique permet à la fois d'augmenter la résolution théorique accessible en SNOM mais aussi de positionner la sonde avec une précision nanométrique et de l'exciter directement grâce à la lumière laser injectée dans la fibre optique. En utilisant uniquement la lumière émise par l'objet, ces pointes ouvrent la voie à des études originales en nano-optique et en plasmonique. Dans ce travail de thèse, deux aspects distincts ont été abordés. D'une part, nous avons étudié les propriétés des plasmons de surface dans le régime de la plasmonique quantique en utilisant pour cela une sonde active fabriquée à base d'un émetteur de photons uniques, le centre NV (nitrogen-vacancy) contenu dans les nano-diamants. Les résultats fondamentaux obtenus sur ce système permettent d'envisager de nombreuses expériences en plasmonique quantique. D'autre part, le travail de développement des sondes actives à base de nanocristaux de YAG (yttrium-aluminum garnet) dopés au cérium a été poursuivi. Ces sondes nous ont permis de démarrer de nouvelles études sur les résonances plasmoniques localisées de particules colloïdales en or. / Surface plasmons (SPs) are modes of the electromagnetic field confined at the interface between a metal and a dielectric. Due to their hybrid nature, the SPs can be used to concentrate and handle light on subwavelength scales. These unprecedented properties draw great interest, in particular for quantum information transport and processing and also for the control of spontaneous emission of fluorescent emitters. The studies presented in this manuscript report the coupling of plasmonic nanostructures with luminescent nanoparticles. The tool we use is a scanning near-field optical microscope (SNOM), in which the nano-source of light is a fluorescent nano-object attached at the end of the probe (active tip). This technique allows not only to reach a better optical resolution in SNOM but also to position the nano-emitter with a nanometre precision and to excite it directly thanks to the laser light injected into the optical fibre. By using only the light emitted by the object, these tips open the way to original studies in nano-optics and plasmonics. In this work, two distinct aspects were studied. First, we studied the properties of the SPs in the quantum plasmonics regime. For this purpose, we used an active tip based on single photons emitters which are the NV centres (nitrogen-vacancy centre) hosted in nanodiamonds. The fundamental results obtained on this system make it possible to consider many other quantum plasmonics experiments. In addition, a different type of active tips based on Cerium-doped YAG (yttrium-aluminum garnet) nanoparticules was developed. These probes allow us to start new studies on localised plasmonic resonances in colloidal gold particles.

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.